Эволюция звезд. Солнце

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

ИНСТИТУТ ТРАНСПОРТНОЙ ТЕХНИКИ И СИСТЕМ БЕЗОПАСНОСТИ

Кафедра «физика»

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Концепция современного естествознания»

на тему: «Эволюция звезд. Солнце»

Выполнил: ст.гр. ТУП-211

Течиева Карина

Проверил: проф. Никитенко В.А.

Москва 2014.

Содержание.

Введение

1. Эволюция звезд

2. Термоядерный синтез в недрах звезд и рождение звезд

3. Середина жизненного цикла звезды

4. Поздние годы и гибель звезд

5. Солнце

6. Солнечные пятна

7. Солнечный цикл

Заключение

Литература

Введение

Современные научные источники указывают на то, что Вселенная состоит на 98% из звезд, которые «в свою очередь» являются основным элементом галактики. Информационные источники дают различные определения данному понятию, вот некоторые из них:

Звезда - небесное тело, в котором идут, шли или будут идти термоядерные реакции. Звезды представляют собой массивные светящиеся газовые (плазменные) шары. Образующиеся из газово-пылевой среды (водорода и гелия) в результате гравитационного сжатия. Температура вещества в недрах звёзд измеряется миллионами кельвинов, а на их поверхности - тысячами кельвинов. Энергия подавляющего большинства звёзд выделяется в результате термоядерных реакций превращения водорода в гелий, происходящих при высоких температурах во внутренних областях. Звёзды часто называют главными телами Вселенной, поскольку в них заключена основная масса светящегося вещества в природе.

Звезды - это огромные объекты, шаровидной формы, состоящие из гелия и водорода, а также других газов. Энергия звезды содержится в ее ядре, где ежесекундно гелий взаимодействует с водородом.

Как все органическое в нашей вселенной, звезды возникают, развиваются, изменяются и исчезают - этот процесс занимает миллиарды лет и называется процессом «Эволюции звезд».

1. Эволюция звезд

Эволюция звезд - последовательность изменений, которым звезда подвергается в течение её жизни, то есть на протяжении сотен тысяч, миллионов или миллиардов лет, пока она излучает свет и тепло.

Звезда начинает свою жизнь как холодное разряжённое облако межзвёздного газа (разряженная газовая среда, заполняющая всё пространство между звёздами), сжимающееся под действием собственного тяготения и постепенно принимающее форму шара. При сжатии энергия гравитации (универсальное фундаментальное взаимодействие между всеми материальными телами) переходит в тепло, и температура объекта возрастает. Когда температура в центре достигает 15-20 миллионов К, начинаются термоядерные реакции и сжатие прекращается. Объект становится полноценной звездой. Первая стадия жизни звезды подобна солнечной - в ней доминируют реакции водородного цикла. В таком состоянии он пребывает большую часть своей жизни, находясь на главной последовательности диаграммы Герцшпрунга - Расселла (рис. 1) (показывает зависимость между абсолютной звездной величиной, светимостью, спектральным классом и температурой поверхности звезды, 1910 год), пока не закончатся запасы топлива в его ядре. Когда в центре звезды весь водород превращается в гелий, образуется гелиевое ядро, а термоядерное горение водорода продолжается на его периферии. В этот период структура звезды начинает меняться. Её светимость растёт, внешние слои расширяются, а температура поверхности снижается - звезда становится красным гигантом, которые образуют ветвь на диаграмме Герцшпрунга-Рассела. На этой ветви звезда проводит значительно меньше времени, чем на главной последовательности. Когда накопленная масса гелиевого ядра становится значительной, оно не выдерживает собственного веса и начинает сжиматься; если звезда достаточно массивна, возрастающая при этом температура может вызвать дальнейшее термоядерное превращение гелия в более тяжёлые элементы (гелий - в углерод, углерод - в кислород, кислород - в кремний, и наконец - кремний в железо).

2. Термоядерный синтез в недрах звезд

К 1939 году было установлено, что источником звёздной энергии является термоядерный синтез, происходящий в недрах звёзд. Большинство звёзд излучаются потому, что в их недрах четыре протона соединяются через ряд промежуточных этапов в одну альфа-частицу. Это превращение может идти двумя основными путями, называемыми протон-протонным, или p-p-циклом, и углеродно-азотным, или CN-циклом. В маломассивных звёздах энерговыделение в основном обеспечивается первым циклом, в тяжёлых - вторым. Запас ядерного топлива в звезде ограничен и постоянно тратится на излучение. Процесс термоядерного синтеза, выделяющий энергию и изменяющий состав вещества звезды, в сочетании с гравитацией, стремящейся сжать звезду и тоже высвобождающей энергию, а также с излучением с поверхности, уносящим выделяемую энергию, являются основными движущими силами звёздной эволюции.

Эволюция звезды начинается в гигантском молекулярном облаке, также называемом звёздной колыбелью. Большая часть «пустого» пространства в галактике в действительности содержит от 0,1 до 1 молекулы на см?. Молекулярное облако имеет плотность около миллиона молекул на см?. Масса такого облака превышает массу Солнца в 100 000-10 000 000 раз благодаря своему размеру: от 50 до 300 световых лет в поперечнике.

Пока облако свободно вращается вокруг центра родной галактики, ничего не происходит. Однако из-за неоднородности гравитационного поля в нем могут возникнуть возмущения, приводящие к локальным концентрациям массы. Такие возмущения вызывают гравитационный коллапс облака. Один из сценариев, приводящих к этому - столкновение двух облаков. Другим событием, вызывающим коллапс, может быть прохождением облака через плотный рукав спиральной галактики. Также критическим фактором может стать взрыв близлежащей сверхновой звезды, ударная волна которого столкнётся с молекулярным облаком на огромной скорости. Кроме того, возможно столкновение галактик, способное вызвать всплеск звёздообразования, по мере того, как газовые облака в каждой из галактик сжимаются в результате столкновения. В общем, любые неоднородности в силах, действующих на массу облака, могут инициировать процесс образования звезды.

Из-за возникших неоднородностей давление молекулярного газа больше не может препятствовать дальнейшему сжатию, и газ начинает под действием сил гравитационного притяжения собираться вокруг центра будущей звезды. Половина высвобождающейся гравитационной энергии уходит на нагрев облака, а половина - на световое излучение. В облаках же давление и плотность нарастают к центру, и коллапс центральной части происходит быстрее, нежели периферии. По мере сжатия длина свободного пробега фотонов уменьшается, и облако становится всё менее прозрачным для собственного излучения. Это приводит к более быстрому росту температуры и ещё более быстрому росту давления. В итоге градиент давления уравновешивает гравитационную силу, образуется гидростатическое ядро, массой порядка 1 % от массы облака. Этот момент невидим. Дальнейшая эволюция протозвезды - это аккреция продолжающего падать на «поверхность» ядра вещества, которое за счет этого растет в размерах. Масса свободно перемещающегося в облаке вещества исчерпывается, и звезда становится видимой в оптическом диапазоне. Этот момент считается концом протозвёздной фазы и началом фазы молодой звезды.

Процесс формирования звёзд можно описать единым образом, но последующие стадии развития звезды почти полностью зависят от её массы, и лишь в самом конце звёздной эволюции свою роль может сыграть химический состав.

3. Середина жизненного цикла звезды

Среди звёзд встречается широкое многообразие цветов и размеров. По спектральному классу они варьируются от горячих голубых до холодных красных, по массе - от 0,0767 до более чем 200 солнечных масс. Светимость и цвет звезды зависит от температуры её поверхности, которая, в свою очередь, определяется массой. Все новые звёзды «занимают своё место» на главной последовательности согласно своему химическому составу и массе. Речь идёт не о физическом перемещении звезды - только о её положении на указанной диаграмме, зависящем от параметров звезды. Фактически, перемещение звезды по диаграмме отвечает лишь изменению параметров звезды.

Маленькие, холодные красные карлики медленно сжигают запасы водорода и остаются на главной последовательности сотни миллиардов лет, в то время как массивные сверхгиганты уйдут с главной последовательности уже через несколько миллионов лет после формирования.

Звёзды среднего размера, такие как Солнце, остаются на главной последовательности в среднем 10 миллиардов лет. Считается, что Солнце все ещё на ней, так как оно находится в середине своего жизненного цикла. Как только звезда истощает запас водорода в ядре, она покидает главную последовательность.

По прошествии определенного времени - от миллиона до десятков миллиардов лет, в зависимости от начальной массы - звезда истощает водородные ресурсы ядра. В больших и горячих звёздах это происходит гораздо быстрее, чем в маленьких и более холодных. Истощение запаса водорода приводит к остановке термоядерных реакций.

Без давления, возникавшего в ходе этих реакций и уравновешивавшего собственное гравитационное притяжение звезды, звезда снова начинает сжатие, как уже было раньше, в процессе ее формирования. Температура и давление снова повышаются, но, в отличие от стадии протозвезды, до более высокого уровня. Коллапс продолжается до тех пор, пока при температуре приблизительно в 100 миллионов К не начнутся термоядерные реакции с участием гелия.

Возобновившееся на новом уровне термоядерное горение вещества становится причиной чудовищного расширения звезды. Звезда «разрыхляется», и её размер увеличивается приблизительно в 100 раз. Таким образом, звезда становится красным гигантом, а фаза горения гелия продолжается около нескольких миллионов лет. Практически все красные гиганты являются переменными звёздами.

То, что происходит в дальнейшем, вновь зависит от массы звезды.

4. Поздние годы и гибель звезд

Старые звёзды с малой массой

На сегодняшний день достоверно неизвестно, что происходит с лёгкими звёздами после истощения запаса водорода. Поскольку возраст вселенной составляет 13,7 миллиардов лет, что недостаточно для истощения запаса водородного топлива в таких звёздах, современные теории основываются на компьютерном моделировании процессов, происходящих в таких звёздах.

Некоторые звёзды могут синтезировать гелий лишь в некоторых активных зонах, что вызывает их нестабильность и сильные звёздные ветры. В этом случае образования планетарной туманности не происходит, а звезда лишь испаряется, становясь даже меньше, чем коричневый карлик.

Звезды с массой менее 0,5 солнечной не в состоянии преобразовывать гелий даже после того, как в ядре прекратятся реакции с участием водорода - их масса слишком мала для того, чтобы обеспечить новую фазу гравитационного сжатия до той степени, которая инициирует «возгорание» гелия. К таким звёздам относятся красные карлики, такие как Проксима Центавра, срок пребывания которых на главной последовательности составляет от десятков миллиардов до десятков триллионов лет. После прекращения в их ядре термоядерных реакций, они, постепенно остывая, будут продолжать слабо излучать в инфракрасном и микроволновом диапазонах электромагнитного спектра.

Звёзды среднего размера

При достижении звездой средней величины (от 0,4 до 3,4 солнечных масс) фазы красного гиганта в ее ядре заканчивается водород и начинаются реакции синтеза углерода из гелия. Этот процесс идет при более высоких температурах и поэтому поток энергии от ядра увеличивается, что приводит к тому, что внешние слои звезды начинают расширяться. Начавшийся синтез углерода знаменует новый этап в жизни звезды и продолжается некоторое время. Для звезды по размеру схожей с Солнцем, этот процесс может занять около миллиарда лет.

Изменения в величине испускаемой энергии заставляют звезду пройти через периоды нестабильности, включающие в себя перемены в размере, температуре поверхности и выпуске энергии. Выпуск энергии смещается в сторону низкочастотного излучения. Все это сопровождается нарастающей потерей массы вследствие сильных звёздных ветров и интенсивных пульсаций. Звёзды, находящиеся в этой фазе, получили название звёзд позднего типа, OH-IR звёзд или Мира-подобных звёзд, в зависимости от их точных характеристик. Выбрасываемый газ относительно богат тяжёлыми элементами, производимыми в недрах звезды, такими как кислород и углерод. Газ образует расширяющуюся оболочку и охлаждается по мере удаления от звезды, делая возможным образование частиц пыли и молекул. При сильном инфракрасном излучении центральной звезды в таких оболочках формируются идеальные условия для активизации мазеров.

Реакции сжигания гелия очень чувствительны к температуре. Иногда это приводит к большой нестабильности. Возникают сильнейшие пульсации, которые, в конечном итоге, сообщают внешним слоям достаточное ускорение, чтобы быть сброшенными и превратиться в планетарную туманность. В центре туманности остаётся оголенное ядро звезды, в котором прекращаются термоядерные реакции, и оно, остывая, превращается в гелиевый белый карлик, как правило, имеющий массу до 0,5-0,6 солнечных и диаметр порядка диаметра Земли.

Белые карлики

Вскоре после гелиевой вспышки «загораются» углерод и кислород; каждое из этих событий вызывает серьезную перестройку звезды и её быстрое перемещение по диаграмме Герцшпрунга - Рассела. Размер атмосферы звезды увеличивается ещё больше, и она начинает интенсивно терять газ в виде разлетающихся потоков звёздного ветра. Судьба центральной части звезды полностью зависит от её исходной массы: ядро звезды может закончить свою эволюцию как белый карлик (маломассивные звёзды); в случае, если её масса на поздних стадиях эволюции превышает предел Чандрасекара - как нейтронная звезда (пульсар); если же масса превышает предел Оппенгеймера - Волкова - как чёрная дыра. В двух последних случаях завершение эволюции звёзд сопровождается катастрофическими событиями - вспышками сверхновых.

Подавляющее большинство звёзд, и Солнце в том числе, заканчивают эволюцию, сжимаясь до тех пор, пока давление вырожденных электронов не уравновесит гравитацию. В этом состоянии, когда размер звезды уменьшается в сотню раз, а плотность становится в миллион раз выше плотности воды, звезду называют белым карликом. Она лишена источников энергии и, постепенно остывая, становится тёмной и невидимой.

У звезд более массивных, чем Солнце, давление вырожденных электронов не может остановить дальнейшее сжатие ядра, и электроны начинают «вдавливаться» в атомные ядра, что приводит к превращению протонов в нейтроны, между которыми не существует сил электростатического отталкивания. Такая нейтронизация вещества приводит к тому, что размер звезды, которая, фактически, представляет теперь одно огромное атомное ядро, измеряется несколькими километрами, а плотность в 100 млн. раз превышает плотность воды. Такой объект называют нейтронной звездой.

Сверхмассивные звёзды

После того, как звезда с массой большей, чем пять солнечных, входит в стадию красного сверхгиганта, ее ядро под действием сил гравитации начинает сжиматься. По мере сжатия увеличиваются температура и плотность, и начинается новая последовательность термоядерных реакций. В таких реакциях синтезируются все более тяжёлые элементы: гелий, углерод, кислород, кремний и железо, что временно сдерживает коллапс ядра.

В конечном итоге, по мере образования всё более тяжёлых элементов периодической системы, из кремния синтезируется железо-56. На этом этапе дальнейший термоядерный синтез становится невозможен, поскольку ядро железа-56 обладает максимальным дефектом массы и образование более тяжёлых ядер с выделением энергии невозможно. Поэтому когда железное ядро звезды достигает определённого размера, то давление в нём уже не в состоянии противостоять тяжести наружных слоев звезды, и происходит незамедлительный коллапс ядра с нейтронизацией его вещества.

То, что происходит в дальнейшем, пока неясно до конца, но, в любом случае, происходящие процессы в считанные секунды приводят к взрыву сверхновой звезды невероятной силы.

Сопутствующий этому всплеск нейтрино провоцирует ударную волну. Сильные струи нейтрино и вращающееся магнитное поле выталкивают большую часть накопленного звездой материала - так называемые рассадочные элементы, включая железо и более лёгкие элементы. Разлетающаяся материя бомбардируется вырываемыми из ядра нейтронами, захватывая их и тем самым создавая набор элементов тяжелее железа, включая радиоактивные, вплоть до урана (а возможно, даже до калифорния). Таким образом, взрывы сверхновых объясняют наличие в межзвёздном веществе элементов тяжелее железа, что, однако, не является единственно возможным способом их образования, к примеру, это демонстрируют технециевые звёзды.

Взрывная волна и струи нейтрино уносят вещество прочь от умирающей звезды в межзвёздное пространство. В последующем, остывая и перемещаясь по космосу, этот материал сверхновой может столкнуться с другим космическим «мусором», и возможно, участвовать в образовании новых звёзд, планет или спутников.

Процессы, протекающие при образовании сверхновой, до сих пор изучаются, и пока в этом вопросе нет ясности. Также под вопросом остается момент, что же на самом деле остаётся от изначальной звезды. Тем не менее, рассматриваются два варианта: нейтронные звезды и чёрные дыры.

Нейтронные звёзды

Известно, что в некоторых сверхновых сильная гравитация в недрах сверхгиганта заставляет электроны поглотиться атомным ядром, где они, сливаясь с протонами, образуют нейтроны. Этот процесс называется нейтронизацией. Электромагнитные силы, разделяющие близлежащие ядра, исчезают. Ядро звезды теперь представляет собой плотный шар из атомных ядер и отдельных нейтронов.

Такие звёзды, известные, как нейтронные звёзды, чрезвычайно малы - не более размера крупного города, и имеют невообразимо высокую плотность. Период их обращения становится чрезвычайно мал, по мере уменьшения размера звезды (благодаря сохранению момента импульса). Некоторые совершают 600 оборотов в секунду. У некоторых из них угол между вектором излучения и осью вращения может быть таким, что Земля попадает в конус, образуемый этим излучением; в этом случае можно зафиксировать импульс излучения, повторяющийся через промежутки времени, равные периоду обращения звезды. Такие нейтронные звёзды получили название «пульсары», и стали первыми открытыми нейтронными звёздами.

Чёрные дыры

Далеко не все сверхновые становятся нейтронными звёздами. Если звезда обладает достаточно большой массой, то коллапс звезды продолжится, и сами нейтроны начнут обрушиваться внутрь, пока её радиус не станет меньше Шварцшильдовского. После этого звезда становится чёрной дырой.

Существование чёрных дыр было предсказано общей теорией относительности. Согласно этой теории, материя и информация не может покидать чёрную дыру ни при каких условиях. Тем не менее, квантовая механика, вероятно, делает возможными исключения из этого правила.

Остаётся ряд открытых вопросов. Главный среди них: «А есть ли чёрные дыры вообще?». Ведь чтобы сказать точно, что данный объект - это чёрная дыра, необходимо наблюдать его горизонт событий. Это невозможно сугубо по определению горизонта, но с помощью радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой можно определить метрику вблизи объекта, а также зафиксировать быструю, миллисекундную переменность. Эти свойства, наблюдаемые у одного объекта, должны окончательно доказать существование чёрных дыр.

5. Солнце

Солнце играет исключительную роль в жизни Земли. Весь органический мир нашей планеты обязан Солнцу своим существованием. Солнце - не только источник света и тепла, но и первоначальный источник многих других видов энергии (энергии нефти, угля, воды, ветра).

Издавна у разных народов Солнце было объектом поклонения. Его считали самым могущественным божеством. Культ непобедимого Солнца был одним из самых распространённых (Гелиос - греческий бог Солнца, Аполлон - бог Солнца у римлян, Митра - у персов, Ярило - у славян и т. д.). В честь Солнца воздвигали храмы, слагали гимны, приносили жертвы. Ушло в прошлое религиозное поклонение дневному светилу. Сейчас учёные исследуют природу Солнца, выясняют его влияние на Землю, работают над проблемой применения практически неиссякаемой солнечной энергии.

Солнце - это наша звезда. Изучая Солнце, мы узнаём о многих явлениях и процессах, происходящих на других звёздах и недоступных непосредственному наблюдению из-за огромных расстояний, которые отделяют нас от звёзд.

Солнечная активность - совокупность нестационарных явлений на Солнце. К этим явлениям относятся солнечные пятна, солнечные вспышки, факелы, флоккулы, протуберанцы, корональные лучи, конденсации, транзиенты, спорадическое радиоизлучение, увеличение ультрафиолетового, рентгеновского и корпускулярного излучения и др. Большинство этих явлений тесно связаны между собой и возникают в активных областях. В их протекании отчётливо видна цикличность со средним периодом 11.2 года, а также с периодами 22, 80-90 лет и др.

В процессе развития активной области в атмосфере Солнца иногда возникают ситуации, при которых возможна быстрая перестройка ("перезамыкание") магнитных полей. Эта перестройка вызывает вспышки, сопровождаемые сложными движениями ионизованного газа, его свечением, ускорением частиц и т.д.

Вспышки на Солнце представляют собой самые мощные из всех проявлений Солнечной активности. Такие вспышки, как правило, наблюдаются вблизи пятен.

Обычно бывает несколько слабых вспышек за день.

Сильные вспышки - весьма редкое явление. Вспышке на Солнце представляет собой внезапное выделение энергии в верхней хромосфере или нижней короне, генерирующее кратковременное электромагнитное излучение в широком диапазоне длин волн - от жёсткого рентгеновского излучения (и даже гамма-излучения) до километровых радиоволн. Начало вспышки может быть очень резким, но иногда "взрыву" предшествует несколько минут медленного развития или даже слабая предвспышка. Далее идёт собственно взрывная (жёсткая, импульсная) фаза, во время которой за 1-3 мин ускоряются частицы, формируется горячее облако. В ряде вспышек (их называют тепловыми) жёсткая фаза отсутствует. После достижения максимальной яркости (напр., в мягком рентгеновском излучении через 1-15 мин после начала) процесс горения большой вспышки продолжается ещё несколько часов. К концу жёсткой фазы постепенно формируется направленная наружу ударная волна: основная часть энергии вспышки выделяется в виде кинетической энергии выбросов вещества, движущихся в короне и межпланетном пространстве со скоростями до 1000 км/с, энергии жёсткого электромагнитного излучения и потоков, ускоренных до гигантских энергий (иногда - десятки ГэВ) частиц. Эта ударная волна вызывает проявления радио всплеска. Рентгеновское излучение и солнечные космические лучи, приходящие от вспышки, вызывают дополнительную ионизацию земной ионосферы, что сказывается на условиях распространения радиоволн (нарушения радиосвязи, работы навигационных устройств и т.д.). Поток выброшенных при вспышке частиц примерно через сутки достигает орбиты Земли и вызывает на Земле магнитную бури и полярные сияния.

Имеются свидетельства сильного влияния вспышечной активности на погоду и состояние биосферы Земли.

Близ максимума активности наиболее эффективно воздействуют на атмосферу и магнитосферу Земли потоки частиц, ускоренных при вспышках. На фазе спада активности, к концу 11-летнего цикла активности, при уменьшении числа вспышек и развитии межпланетного токового слоя, становятся более существенными стационарные потоки усиленного солнечного ветра. Вращаясь вместе с Солнцем, они вызывают повторяющиеся каждые 27 сут. геомагнитные возмущения. Это рекуррентная (повторяющаяся) активность особенно высока для концов циклов с чётным номером, когда направление магнитного поля солнечного "диполя" антипараллельно земному.

С циклическими изменениями Солнечной активности связано проявление многолетних биологических циклов. Изучением влияния изменений Солнечной активности на живые организмы Земли занимается гелиобиология - наука, основы которой были заложены в нач. 1920-х гг. А.Л. Чижевским. Чижевский считал, что гелиобиология, показывающая несомненную связь земных событий с космическими ритмами, является современной, научной формой древнего астрологического учения. Как показали обширные исторические исследования, проведённые Чижевским, имеется несомненная связь между циклами Солнечной активности и динамикой войн и других социальных потрясений, вспышек эпидемий и эпизоотий и массой других явлений на Земле. Интересно, что первым учёным, выступившим с подобной мыслью, был У.Гершель - астроном, открывший первую невидимую невооружённым глазом планету Уран. Ещё в 1804 г. он обнаружил прямую зависимость между уровнем Солнечной активности и ценами на хлеб. Среди современных исследований на эту тему выделим работу российского историка Валерия Храпова, открывшего "кривую одарённости". Выяснилось, что большинство выдающихся людей (в самых разных областях политики, спорта, искусства) рождается в периоды экстремального (максимального или минимального) уровня Солнечной активности. Кривая смертности также соотносится с кривой Солнечной активности.

Подобные закономерности, несомненно, можно рассматривать как астрологические.

Как показали исследования Теодора Ландшайдта, уровень Солнечной активности зависит от взаиморасположения планет и от ряда других астрологических факторов. Более того, Ландшайдт разработал методику, позволяющую сугубо астрологическими методами прогнозировать изменения в Солнечной активности.

Долговременные предсказания вспышек Солнечной активности и геомагнитных бурь, которые делает Ландшайдт, сбываются (по данным проверки астрономов) на 90%(!).

Таким образом, если Солнечная активность зависит от астрологических факторов, то и все явления на Земле, связанные с изменением Солнечной активности, также зависят от астрологических показателей.

6. Солнечные пятна

О том, что на Солнце бывают пятна, люди узнали уже очень давно. В древних русских и китайских летописях, а также в хрониках других народов не редко встречались упоминания о наблюдениях пятен на Солнце. В русских летописях отмечалось, что пятна были видны "Аки гвозди". Записи помогли подтвердить установленную уже позже (в 1841 году) закономерность периодического увеличения числа солнечных пятен. Чтобы заметить такой объект простым глазом (при соблюдении, конечно, мер предосторожности - сквозь густо закопченное стекло или засвеченную негативную фотопленку), необходимо, чтобы его размер на Солнце был не менее 50 - 100 тысяч километров, что в десятки раз превышает радиус Земли.

Солнце состоит из раскаленных газов, которые все время движутся и перемешиваются, и поэтому ничего постоянного и неизменного на солнечной поверхности нет. Самыми устойчивыми образованиями являются солнечные пятна.

Но и их вид изо дня в день меняется, и они тоже, то появляются, то исчезают.

В момент появления солнечное пятно обычно имеет небольшие размеры, оно может исчезнуть, но может и сильно увеличиться.

Главную роль в большинстве наблюдаемых на Солнце явлений играют магнитные поля. Солнечное магнитное поле имеет очень сложную структуру и непрерывно меняется. Совместные действия циркуляции солнечной плазмы в конвективной зоне и дифференциального вращения Солнца постоянно возбуждает процесс усиления слабых магнитных полей и возникновения новых. Видимо это обстоятельство и является причиной возникновения на Солнце пятен. Пятна то появляются, то исчезают. Их количество и размеры меняются. Но, примерно, каждые 11 лет число пятен становится наибольшим. Тогда говорят, что Солнце активно. С таким же периодом (~ 11 лет) происходит и переполюсовка магнитного поля Солнца.

Естественно предположить, что эти явления связанны между собой.

Развитие активной области начинается с усиления магнитного поля в фотосфере, что приводит к появлению более ярких участков - факелов (температура фотосферы Солнца в среднем 6000К, в области факелов примерно на 300К выше).

Дальнейшее усиление магнитного поля приводит к появлению пятен.

В начале 11-летнего цикла пятна в небольшом количестве начинают появляться на сравнительно высоких широтах (35 - 40 градусов), а за тем постепенно зона пятнообразования спускается к экватору, до широты плюс 10 - минус 10 градусов, но на самом экваторе пятен, как правило, не бывает.

Галилео Галилей одним из первых заметил, что пятна наблюдаются не всюду на Солнце, а, главным образом, на средних широтах, в пределах так называемых "королевских зон".

Сначала обычно появляются одиночные пятна, но затем из них возникает целая группа, в которой выделят два больших пятна - одно - на западном, другое - на восточном краю группы. В начале нашего века выяснилось, что полярности восточных и западных пятен всегда противоположны. Они образуют как бы два полюса одного магнита, а потому такую группу называют биполярной. Типичное солнечное пятно имеет размеры несколько десятков тысяч километров.

Галилей, зарисовывая пятна, отмечал вокруг некоторых из них серую каемку.

Действительно, пятно состоит из центральной, более темной части - тени и более светлой области - полутени.

Солнечные пятна иногда бывают видны на его диске даже невооруженным глазом.

Кажущаяся чернота этих образований вызвана тем, что их температура примерно на 1500 градусов ниже температуры окружающей их фотосферы (и соответственно непрерывное излучение от них гораздо меньше). Одиночное развитое пятно состоит из темного овала - так называемой тени пятна, окруженного более светлой волокнистой полутенью. Неразвитые мелкие пятна без полутени называют порами. Зачастую пятна и поры образуют сложные группы.

Типичная группа пятен изначально возникает в виде одной или нескольких пор в области невозмущенной фотосферы. Большинство таких групп обычно исчезают через 1-2 суток. Но некоторые последовательно растут и развиваются, образовывая достаточно сложные структуры. Солнечные пятна могут быть больше в диаметре, чем Земля. Они часто объединяются в группы. Они формируются за несколько дней и обычно исчезают за неделю. Некоторые большие пятна, хотя, могут сохраняться в течение месяца. Большие группы солнечных пятен более активны, чем маленькие группы или отдельные пятна.

Солнце меняет состояние магнитосферы и атмосферы Земли. Магнитные поля и потоки частиц, которые идут от солнечных пятен, достигают Земли и влияют прежде всего на мозг, сердечно-сосудистую и кровеносную системы человека, на ее физическое, нервное и психологическое состояние. Высокий уровень солнечной активности, его быстрые изменения возбуждают человека, а поэтому и коллектив, класс, общество, особенно, когда есть общие интересы и понятная и воспринимаемая идея.

Поворачиваясь к Солнцу то одним, то другим своим полушарием, Земля получает энергию. Этот поток можно представить в виде бегущей волны: там, где падает свет - ее гребень, где темно - провал. Иными словами, энергия то прибывает, то убывает. Об этом в своем знаменитом естественном законе говорил еще Михаил Ломоносов.

Теория о волнообразном характере поступления энергии на Землю побудила основоположника гелиобиологии Александра Чижевского обратить внимание на связь между увеличением солнечной активности и земными катаклизмами. Первое наблюдение, сделанное ученым, датируется июнем 1915 года. На Севере блистали полярные сияния, наблюдавшиеся как в России, так и в Северной Америке, а "магнитные бури непрерывно нарушали движение телеграмм". Как раз в этот период ученый обращает внимание на то, что повышенная солнечная активность совпадает с кровопролитием на Земле. И действительно, сразу после появления больших пятен на Солнце на многих фронтах Первой мировой усилились военные действия.

Теперь астрономы говорят, что наше светило становится все более ярким и жарким. Это связано с тем, за последние 90 лет активность его магнитного поля увеличилась более чем вдвое, причем наибольший рост произошел за последние 30 лет. В Чикаго, на ежегодной конференции Американского астрономического общества, прозвучало предупреждение ученых о грозящих человечеству неприятностях. Как раз в тот момент, когда компьютеры по всей планете будут приспосабливаться к условиям работы в 2000 году, наше светило вступит в наиболее бурную фазу своей 11-летней циклической .Теперь ученые смогут безошибочно предсказывать солнечные вспышки, что даст возможность заблаговременно подготовиться к возможным сбоям в работе радио- и электросетей. Сейчас большинство солнечных обсерваторий подтвердило "штормовое предупреждение" на следующий год, т.к. пик солнечной активности наблюдается каждые 11 лет, а предыдущая буря наблюдалась в 1989 году.

Это может привести к тому, что на Земле выйдут из строя линии электропередач, изменятся орбиты спутников, которые обеспечивают работу систем связи, "направляют" самолеты и океанские лайнеры. Солнечное "буйство" обычно характеризуется мощными вспышками и появлением множества тех самых пятен.

Александр Чижевский еще в 20-х гг. обнаружил, что солнечная активность влияет на экстремальные земные события - эпидемии, войны, революции. Земля не только обращается вокруг Солнца - все живое на нашей планете пульсирует в ритмах солнцедеятельности, - установил он.

Солнце влияет на всю нашу жизнь гораздо тоньше и глубже, чем это представлялось до этого. В кровавой и мутной памяти конца века мы видим наглядное подтверждение его идей. А в спецслужбах разных стран ныне целые отделы занимаются анализом солнечной активности... В главном, была доказана синхронность максимумов солнечной активности с периодами возникновения революций и войн, периоды усиленной деятельности солнечных пятен часто совпадали со всякими общественными смятениями.

Недавно несколько космических спутников зафиксировали выброс солнечных протуберанцев, характеризующийся необычно высоким уровнем рентгеновского излучения. Такие явления представляют серьезную угрозу для Земли и ее жителей. Вспышка такой мощности потенциально способна дестабилизировать работу энергетических сетей. К счастью, поток энергии не затронул Землю и никаких ожидаемых неприятностей не случилось. Но само по себе событие является провозвестником так называемого "солнечного максимума", сопровождающегося выбросом гораздо большего количества энергии, способного вывести из строя коммуникации связи и силовые линии, трансформаторы, под угрозой будут находиться космонавты и космические спутники, находящиеся вне магнитного поля Земли и не защищенные атмосферой планеты. На сегодняшний день спутников NASA на орбите больше, чем когда-либо прежде. Существует угроза и для самолетов, выражающаяся в возможности прекращения радиосвязи, глушении радиосигналов.

Солнечные максимумы плохо поддаются прогнозированию, известно только, что они повторяются примерно через каждые 11 лет. Ближайший должен случиться в середине 2000 года, и его продолжительность будет от года до двух лет. Так утверждает Дэвид Хатавей, гелиофизик Космического центра полетов Marshall, NASA.

Протуберанцы в течение солнечного максимума могут возникать ежедневно, но неизвестно, какой именно силой они будут обладать и затронут ли они нашу планету. В течение нескольких прошлых месяцев всплески солнечной активности и вызванные ими направленные на Землю потоки энергии были слишком слабы, чтобы причинить какой-либо ущерб. Помимо рентгеновского излучения, это явление несет и другие опасности: Солнце выбрасывает миллиард тонн ионизированного водорода, волна которого перемещается со скоростью миллион миль в час и способна достигнуть Земли за несколько дней. Еще большую проблему представляют собой энергетические волны протонов и альфа-частиц. Они перемещаются с гораздо большей скоростью и не оставляют времени для принятия контрмер, в отличие от волн ионизированного водорода, с пути которых можно успеть убрать спутники и самолеты.

В некоторых, самых экстремальных случаях все три волны могут достигнуть Земли внезапно и почти одновременно. Защиты нет, ученые пока не в силах точно предсказать такой выброс и тем более его последствия.

7. Солнечный цикл

Количество пятен на Солнце не является постоянной величиной. В дополнению к вполне очевидным вариациям, связанным с вращением Солнца (пятна появляются в поле зрения и исчезают за краем), в течение времени новые группы пятен формируются, а старые исчезают. При наблюдении в течении короткого периода времени (несколько недель или месяцев) эта вариация в числе пятен выглядит случайной. Однако наблюдения за много лет привели к открытию значительной особенности Солнца: количество пятен меняется периодически, что обычно описывается как 11 - летний цикл (в действительности период меняется и находится ближе к 10.5 годичному циклу в нашем столетии).

В 1848 году Иоган Рудольф Вольф изобрел методику подсчета солнечных пятен на диске, получаемое число называют числом Вольфа:

W=k(f+10g),

где f - число всех отдельных пятен, в данный момент наблюдаемых на солнечном диске, а g - число образованных ими групп. Этот индекс очень удачно отражает вклад в солнечную активность не только от самих пятен, но и от всей активной области, в основном занятой факелами. Поэтому числа W очень хорошо согласуются с более современным и точнее определяемым индексом, обозначаемым F_10.7 - величиной потока радиоизлучения от всего Солнца на волне 10,7 см. Сегодня числа Вольфа (осредненные по многим наблюдениям) используют для характеристики солнечной активности.

Во время солнечного цикла пятна мигрируют от полюса к экватору, и распределение пятен по широте дает так называемую, очень эффектную, диаграмму бабочки .

В то время как продолжительность цикла была практически одинакова в этом столетии, в прошлом наблюдались значительные отклонения. Примерно с 1645 по 1715 годы (период, известный как Маундеровский минимум) на Солнце практически не наблюдались пятна, что имело, по-видимому, влияние на земной климат (см. дальше).

Особенно длительный период истории солнечной активности скрыт в данных о распространенности в прошлом углерода-14 (радиоактивного изотопа обычного углерода-12). Интенсивность образования С-14 в земной атмосфере зависит от потока частиц высоких энергий, известных как галактические космические лучи, которые рождаются в высокоэнергичных процессах вне Солнечной системы. Способность этих космических лучей проникать в Солнечную систему зависит от величины и геометрии магнитных полей, уносимых от Солнца солнечным ветром в

периоды высокой активности. В процессе фотосинтеза растения поглощают С-14 вместе с другими изотопами углерода и включают его в свою структуру. Уровни солнечной активности за прошедшие 2000 лет могут быть оценены путем измерения распространенности С-14 в годовых кольцах старых деревьев. Возраст таких колец может быть легко найден обратным счетом от внешнего кольца. Сведения из древних источников о наблюдении солнечных пятен и полярных сияний, а также данные о распространенности С-14 были обобщены Эдди в 1976 г. Он установил, что Маундеровский минимум совпадает с очень резким понижением солнечной активности, о чем свидетельствуют перерыв в появлении полярных сияний и высокий уровень С-14. Впоследствии Эдди и другие ученые показали, что такие периоды аномально низкой солнечной активности продолжаются в течение нескольких десятилетий и типичны для Солнца. Аналогичный эпизод, Шпуреровский минимум, имел место в период примерно от 1450 до 1550 гг. Однако протяженный период высокой солнечной активности приблизительно между 1100 и 1250 гг. совпал с относительно теплой погодой, которая, по-видимому, сделала возможной миграцию викингов в Гренландию и Новый Свет. Возможно, что очередное затухание солнечной активности можно ожидать в следующем веке. Почему существует солнечный цикл? До конца никто не знает окончательного ответа на этот вопрос. Детальное объяснение природы солнечного цикла является фундаментальной проблемой солнечной физики, которую еще предстоит решить.

Заключение

Изучение звёздной эволюции невозможно наблюдением лишь за одной звездой - многие изменения в звёздах протекают слишком медленно, чтобы быть замеченными даже по прошествии многих веков. Поэтому учёные изучают множество звёзд, каждая из которой находится на определённой стадии жизненного цикла.

На протяжении многих веков астрономия накапливала данные о звездах. На основании этих данных строятся различные классификационные системы. В данной работе мы рассмотрели некоторые классификационные характеристики.

По нахождению на различных стадиях своей жизни звезды бывают голубыми и красными гигантами, белыми карликами, нейтронными звездами или черными дырами.

Классифицируя звезды по химическому составу, ориентируются на содержание в них элементов, тяжелее гелия. Этих элементов, как правило, не более 2%, но они определяют, к какой группе принадлежит звезда.

Основой классификации звезд служат их физические характеристики - блеск, светимость, размер, температура, масса. Звезды классифицируются по «звездной» и абсолютной величине, по светимости и цвету, по степени ионизации элементов. Наиболее наглядно группы звезд отражены в диаграмме Герцшпрунга-Рассела. Изучая физические характеристики можно сделать предположение, что все звезды имеют более-менее одинаковую массу, в то время как все другие характеристики изменяются в сотни тысяч и многие миллионы раз.

Большой интерес представляет классификация и изучение двойных и переменных звезд.

Двойные звезды и кратные системы могут быть оптически и физически дойными. Их двойственность объясняется соответственно геометрическими эффектами и физическим взаимодействием.

Переменные звезды бывают затменные и физические. Переменность затменных звезд объясняется опять-таки геометрическими эффектами, а физических переменных - внутренними процессами.

В настоящее время классификация звезд непрерывно дополняется и совершенствуется.

звезда небесный солнце

Литература

1. Введенский Б.А., «Большая Советская Энциклопедия», М.: Государственное научное издательство «Большая Советская Энциклопедия», 1952.

2. Дубинцева Т.Я., «Концепции современного естествознания», Новосибирск: ООО Издательство «ЮКЭА», 1997. - 832с.

3. Шкловский И. С. Звёзды: их рождение, жизнь и смерть - М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1984. - 384 с.

4. Леви Д., «Звезды и планеты: энциклопедия окружающего», М.: Издательство «Белый город», 1998. - 288с.

5. Хабер Х., «Звезды», М.: «Слово», 1998. - 127с.

6. Котляков В.М., «Анатомия кризисов», М.: «Наука», 1999. - 238с.

7. Институт физики им. Киренского СО РАН | Строение и эволюция вселенной.

Размещено на Allbest.ru

...